第一章 绪论
1.1 研究背景
混凝土是目前世界上应用最广、使用量最大的一种建筑材料[1-5]。近年来，随着我国综合实力和科学技术的不断提高，现代化建筑工程的快速发展，尤其是高层、超高层民用建筑以及高速铁路、大跨度桥梁等基础设施的建设越来越多，这就对建筑材料——混凝土提出了更高的要求[6-10]。普通混凝土的自重较大、抗拉强度低、保温性能差等一系列缺点显得日益突出，在一定程度上影响了混凝土的广泛应用，普通混凝土已不再能满足现阶段国家、社会的发展需求。在结构设计理论相对比较完善的情况下，在减轻结构自重方面，轻质、高性能的陶粒混凝土已成为提高结构性能的一个重要方向[11-14]。
但纵观陶粒混凝土的应用和发展，其主要用途限于砌块、内隔墙板等利用其保温性能的非承重结构。同时，由于工程人员对陶粒混凝土的认识不够系统，导致陶粒混凝土在承重结构中的应用受到阻碍[15]。因此只有研制出适用、轻质、高性能的陶粒混凝土，并对其进行深入系统的力学性能研究，从理论和试验上证明具有可行性，让广大工程人员从意识上改变对陶粒混凝土的看法，才能抓住这前所未有的发展契机。
钢筋混凝土材料因结合混凝土和钢筋的优点而被广泛应用于土木工程领域中。但钢筋易腐蚀的特点影响钢筋混凝土结构的耐久性，其中对海洋工程，桥梁工程及处于恶劣环境下的工程的影响尤为严重。如图 1-1 所示，钢筋锈蚀问题引起结构耐久性的工程事故屡见不鲜：长江大桥桥墩由于钢筋腐蚀而坍塌；广州海印大桥由于铁索腐蚀而断索；上饶傍罗大桥、美国明尼阿波利斯钢桁架桥、德国汉堡 Kohbrand Estruary、韩国中央汉江大桥等由于桥梁耐久性问题而垮塌[16]。钢筋锈蚀问题不仅导致结构性能劣化及影响结构正常使用，而且带来巨大的经济损失[17,18]。钢筋锈蚀引起混凝土脱落及结构耐久性问题已经引起国内外学者的高度重视，而 FRP（Fiber Reinforced Polymer）材料因具有抗拉强度高，抗腐蚀性好，质量轻，抗震性好等优点而被运用于工程领域，如图 1-2 所示。
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1.2 材料简介
1.2.1 陶粒混凝土简介
陶粒混凝土是由陶粒替代普通粗骨料的一种新型轻骨料混凝土，它的原材料主要有陶粒轻集料、轻砂（或普通砂）、水泥以及适量的水，目前使用比较普遍的陶粒轻集料有页岩陶粒、粘土陶粒和粉煤灰陶粒等。陶粒混凝土能够在保证一定强度的前提下有效地减轻结构自重，顺应了混凝土轻质、高强、多功能的发展方向，其应用广泛，可用于制作轻型砌块、保温隔墙、轻型楼板、铺装路面等，是一种优质的新型建筑材料[21-24]。
与普通混凝土相比，陶粒混凝土能在降低建筑物自重的同时，保证建筑物的强度不出现劣化。非常适合使用在高层、超高层民用建筑、高速铁路、城市高架等大型工程建设中。其优点主要体现在以下几个方面：
（1）轻质
有研究[25-27]表明，强度为 30MPa 的 LC30 的陶粒混凝土干表观密度可保持在 1500kg/m3，比普通混凝土小约 20%。因为陶粒混凝土中的集料（如页岩陶粒、粘土陶粒、粉煤灰陶粒）表面存在大量孔隙，表观密度较小，使得陶粒混凝土的容重大大降低。有研究[28, 29]表明，在相同的强度等级下，陶粒混凝土的自重仅为普通混凝土自重的70%-80%。
（2）抗震性能优
陶粒混凝土粗骨料为轻型材料，具有容重小的特点，采用陶粒混凝土可以大大降低结构自重，从而降低地震作用[30]。同时，陶粒混凝土弹性模量低[31]，在地震时可以快速分散和吸收地震波所释放的能量，从而达到良好的减震效果。陶粒混凝土通常作为轻型砌块砌筑建筑物的非承重填充墙，由于陶粒混凝土质量较轻，可以大幅度减轻建筑物的自重，对其抗震效果也有显著改善[32]。
（3）耐高温耐火性能优良
对同一厚度的混凝土墙板，使用陶粒混凝土制作的墙板往往比使用普通混凝土制作的墙板耐火性更好。陶粒混凝土由于导热系数比较低，在耐火性能试验中，陶粒混凝土的耐火极限可达 4 小时，远高于普通混凝土，在发生火灾事故时，可以避免钢筋快速失去强度，维持建筑物的基本结构，为救援赢得宝贵的时间[33-35]。
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第二章 GFRP 筋陶粒混凝土梁受弯性能试验
2.1 引言
本试验的主要目的是为了获得 GFRP 筋陶粒混凝土梁正常使用极限状态的荷载等级、材料应变、构件变形以及裂缝形态等的相关数据。通过对跨中截面的应变分布、正常使用极限状态荷载效应标准组合作用下材料应力限值、跨中位移限值、裂缝宽度限值等进行了一系列的分析讨论，总结相关参数对 GFRP 筋（钢筋）混凝土梁正常使用状态限值以及受弯性能的影响。
本文的研究主要集中在 GFRP 筋陶粒混凝土梁的材料应力、变形、裂缝等正常使用状态性能。根据国内外已有研究成果[82-84]，配筋率的改变会显著影响构件的拉伸刚化效应和裂缝发展，而混凝土骨料、筋材类型及其外表观也是影响构件裂缝间距、裂缝宽度的重要因素。因此，本试验研究主要集中在配筋率、骨料、筋材类型等参数的改变对GFRP 筋陶粒混凝土梁正常使用状态性能的影响。
针对上述研究内容和目的，本次试验设计了 11 根混凝土梁试件，其中包括 8 根 FRP筋陶粒混凝土试验梁和 1 根钢筋陶粒混凝土试验梁、BFRP 筋陶粒混凝土梁、1 根 GFRP筋普通混凝土梁对照组试件。梁的总长 L 均为 2100 mm，净跨 L0 均为 1800 mm，梁截面尺寸均为 b×h=200 mm×400 mm（其中 b 为梁宽，h 为梁高）。为了减小剪力对构件正截面受弯的影响，采用三分点加载方案。剪跨区配置直径 12 mm、间距 100 mm 的箍筋防止发生剪切破坏，并在剪跨区配置直径 12 mm 的架立筋，梁的纯弯段（跨中 600 mm）范围内不设箍筋，其中箍筋和架立筋均为 HRB400 热轧带肋钢筋。保护层厚度均为20mm。试件简图如图 2-1 所示。
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2.2 试验材料
2.2.1 混凝土材料及其配合比
本次试验所使用胶凝材料为华润生产的 P.O 42.5 水泥；粗骨料为陶粒（或天然碎石），细骨料为中砂（或陶砂）。
如图 2-2 所示，分别采用湖北生产的页岩陶粒、广东生产的淤泥陶粒陶砂、广东生产的粉煤灰陶粒作为陶粒混凝土的粗骨料，以及对应的陶砂作为细骨料。
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3.1 引言....................................36
3.2 GFRP 筋陶粒混凝土梁抗裂性能分析...............................36
第四章 GFRP 筋陶粒混凝土梁承载力及刚度分析.....................................51
4.1 引言.................................................51
4.2 GFRP 筋陶粒混凝土梁正截面承载力分析.....................................51
第四章 GFRP 筋陶粒混凝土梁承载力及刚度分析
4.1 引言
普通混凝土矩形截面梁承受纯弯矩的作用，只在受拉侧配置钢筋，是最基本的钢筋混凝土构件。这种构件的受力过程和性能已有许多试验加以阐述。轻骨料混凝土的弹性模量小，应力-应变曲线也陡峭，破坏突然。配筋陶粒混凝土梁的受力性能与普通中、低强度混凝土梁相似，差别是变形偏大，裂缝稍宽，破坏过程较快些。
钢筋混凝土构件的挠度根据荷载的不同，可分为短期挠度和长期挠度两种。由于陶粒混凝土的弹性模量较普通混凝土低，因此要寻找出适用于陶粒混凝土构件的短期刚度的计算方法，从结构设计的角度对陶粒混凝土构件的变形进行严格的控制，以满足规程规定正常使用极限状态的要求。基于此，本章对陶粒混凝土梁抗弯性能试验结果进行整理，并对其结果进行详细的分析和研究，主要内容如下：
（1）根据现有 GFRP 筋混凝土规范抗弯承载力计算理论，将规范理论计算值与试验实测值进行对比，验证 GFRP 筋混凝土规范的计算方法是否仍适用。
（2）对陶粒混凝土梁极限破坏荷载的影响因素进行分析。
（3）验证以本文建议筋材应变不均匀系数ψ为参数，采用轻骨料混凝土结构技术规程的刚度计算公式来计算 GFRP 筋陶粒混凝土梁的截面抗弯刚度是否可行。
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结论与展望
结论
本文通过 8 根 GFRP 筋陶粒混凝土梁、1 根 GFRP 筋普通混凝土梁、1 根 BFRP 筋陶粒混凝土梁和 1 根钢筋陶粒混凝土梁的抗弯试验，对陶粒混凝土梁的抗弯性能进行了较为系统、全面的研究，深入探讨了陶粒混凝土梁的极限抗弯承载力、挠度、荷载-跨中挠度曲线、破坏特征、开裂弯矩、裂缝分布及宽度等特征规律，提出了适用于陶粒混凝土梁的开裂弯矩、最大裂缝宽度、刚度等计算方法，为陶粒混凝土受弯构件的设计、应用提供了理论依据。
本文主要得出以下结论：
（1）试验中测量不同荷载等级下裂缝截面的筋材应变和裂缝间筋材的平均应变，通过线性回归得出了裂缝间筋材应变不均匀系数ψ的计算公式ψ=1.03-0.57ft/ρteσs。
（2）页岩陶粒混凝土各梁在正常使用极限状态下的最大裂缝宽度ωmax 均小于 0.3mm，满足规范要求。计算得到页岩陶粒混凝土梁在短期荷载作用下最大裂缝宽度与试验值进行对比，通过建议公式计算所得结果与试验值符合较好。
（3）计算出陶粒混凝土梁的抗弯承载力，并结合普通混凝土梁，对它们的开裂荷载和极限破坏荷载进行对比分析。陶粒混凝土试验梁的正截面抗弯承载力与普通混凝土梁没有显著差别，按照现有钢筋陶粒混凝土的计算方法对 GFRP 筋陶粒混凝土梁进行正截面承载力设计是安全可靠的。
（4）按本文试验分析得到纵向受拉筋材应变的不均匀系数ψ的计算公式以及现行规程中的钢筋轻骨料混凝土受弯构件的刚度计算公式来计算页岩陶粒混凝土梁的截面抗弯刚度是可行的。按照最小刚度计算方法和轻骨料混凝土结构技术规程计算公式得到的正常使用阶段的挠度理论值与实测值比值的平均值为 0.891，标准差为 0.1918，离散系数为 0.2154。对于陶粒混凝土梁的跨中最大挠度按照本文建议公式计算是安全准确的。在使用荷载作用下，陶粒混凝土试验梁的最大实测挠度为 1.468，满足规范规定的正常使用要求。
参考文献（略）